開發虛擬實境急性腦中風處置模擬訓練中心

張育銘、黃鈴淯、宋碧姍、王淳民、陳建旭、陳芃婷

中風是造成全世界主要死亡及失能的原因之一。急性中風將帶來顯而易見的社會、經濟、家庭及個人負擔。因此，如何減少急性中風所帶來的疾病後遺症並改善預後是一重要的研究議題¹。而急性中風，又以缺血性腦中風 (acute ischemic stroke, AIS)占約七成。目前對於AIS，靜脈血栓溶解藥物 (tissue plasminogen activator, tPA) 是目前AIS證實可改善預後的治療，而動脈內血栓移除治療 (endovascular thrombectomy, EVT) 更進一步對於前循環或後循環大血管阻塞 (large vessel occlusion, LVO)病人，不論是超急性期 (中風發生後6-8小時內) 或急性期 (前循環16-24小時內) 皆提供另一有效且顯著改善病人預後的治療模式。不論是tPA或是EVT，皆隸屬於可以讓血管再通之再灌流治療(reperfusion therapy)，但兩種治療臨床上最大的限制在於治療必須在黃金期中進行(tPA需在AIS發生後4.5小時內進行注射而EVT需在AIS發生後24小時內進行治療)。此外，目前研究已知，中風梗塞範圍與中風後至急性治療或再灌流的時間息息相關，即使皆在治療黃金期內，再灌流時間若愈快，愈能提供更好的預後²。因此，自症狀發生至提供再灌流治療時間為中風治療中一重要的決定因子，也列在全世界或台灣評估醫療機構對於急重症治療，關於中風治療品質的重要關鍵指標^3,4 。

 

ㄧ、中風病人入院後之診療流程

因此如何縮短從急性中風症狀發生 (stroke onset)至送達醫院，並盡快提供再灌流治療之時間(onset-to-reperfusion Time)，是改善急性中風預後的重要關鍵。急性腦中風有二重要處置的決勝時間點，分別為1.迅速確實判斷腦中風及嚴重程度2.準確選擇最適當的急性腦中風處置。圖1顯示中風病人入院後之診療流程(Cycle of Care)，醫師在快速進行疾病史詢問及NIHSS評估後，迅速確實判斷腦中風及嚴重程度，並依據NIHSS評估量表之分數以及腦部影像學檢查資料，準確選擇最適當的急性腦中風處置，判斷準則為病人能否在中風治療黃金期4.5小時內能施打靜脈血栓溶解劑(tPA)，或是在中風治療黃金期24小時內評估是否執行動脈血栓移除手術(EVT)。

 

圖1、急性腦中風的診療流程

 

二、NIHSS美國國家衛生研究院中風評估量表

NIHSS評估在急性中風的醫療決策中具有決定性的角色，且該量表也提供照護人員之間互相溝通病人情況之共同語言(圖2)。在11項評估構面中，醫師需要提供指示，包含病人回答問題與反應動作，以病人對指令的完成度為標準作為嚴重度的評分依據，熟練的醫療評估人員僅需五至十分鐘便能精準、快速地完成NIHSS評分；反之，不熟練的評估者可能造成評估的時間延長或誤判，帶給病人不利的影響，因此NIHSS的評估訓練在急性中風治療處置決策中至關重要。

 

圖2、NIHSS美國國家衛生研究院中風評估量表

 

三、傳統中風教育訓練模式培訓困境

由於NIHSS量表評估訓練較難藉由文字或口頭進行完整傳達與教授，因此傳統中風教育訓練模式以課堂及教師說明為主，簡易情境紀錄影片為輔。本計畫總共訪談五位利害關係人，分別為三位神經科醫師、一位急診科醫師和一位不分科住院醫師，根據利害關係人訪談結果得知：非神經科醫師和神經內科醫師在診療處置及在看培訓影片可能遇到的困難點(表1)。透過該困難點分析可見：缺乏中風評估信心、欠缺臨床經驗、不熟悉評估方法、對自我評估NIHSS信心不足、擔心判斷誤差、甚或是新手醫師在評估時，因欠缺臨床實務經驗而希望能有即時回饋與監督等。

 

 

四、VR-NIHSS 課程開發

為克服以上教學與運用困境，本計畫透過VR-NIHSS 課程開發，希望提供學員進行實際模擬操作並進行驗證，VR-NIHSS系統之設計與開發過程如圖3所示。

 

圖3、VR-NIHSS系統之設計與開發過程

 

1. 故事版繪製

故事版繪製(storyboarding)是在人機互動領域中最常應用來可視化系統構想的方式之一。團隊將NIHSS的評估項目逐項繪製出來，同時加入使用者的可能操作情境，在此階段中，團隊確立了系統中使用者與虛擬病人的溝通方式，並初步完成互動流程的設計。

2.虛擬環境建構

虛擬環境建構於病房內，包括病床、醫院設備及虛擬病人。為了達到NIHSS評估所需的動作，病人的3D模型選擇有諸多需求，虛擬病人不僅可調整肢體變化，還需進行一些細微的動作和臉部表情，例如挑眉、轉動眼球等，因此需設計多關節和臉部特徵可調節特性。

3.原型製作與測試

經過故事版的構想，團隊繪製出各個項目程式流程圖，並進入程式的撰寫階段。在VR-NIHSS系統中，所有項目共享相同的評分操作流程，每一個項目均始於對話並終於評分，它顯示了本系統於各個項目間的流程存在一致性，有助於提升本系統的使用性(usability)，使之更易於應用到實際場域中。

3.病人個案匯入

待系統確定操作流程，VR-NIHSS營造值班情境並匯入數位真實中風病人個案提供練習，經由教案設計使得病人的表現各自相異，提供多元的病人樣態，並開始投入臨床教學效益驗證。

 

五、傳統及VR培訓流程驗證

VR-NIHSS開發雛型完成後，本計劃已完成VR-NIHSS課程臨床場域驗證，以驗證新開發之VR-NIHSS之教學成果及學員學習動機。

 

1.實驗方法

       在經過人體試驗委員會申請臨床驗證通過後，團隊前瞻性地招募61位大六醫學生。受試者須具備基礎中風照護知識，經過NIHSS課堂教學後，學員隨機分派至「傳統影片學習組(VT)」或「VR系統學習組(VR)」。兩組學員第一週先接受共同的NIHSS課堂教學，接下來兩週，VT組學員觀看標準訓練模式中4位不同患者的NIHSS培訓影片。同時，VR組學員將使用VR-NIHSS對4名不同的患者進行模擬訓練。所有學員在第1 週未接受訓練前先透過預先錄製的影片接受課前測試，並在第4 週訓練完成後接受相同影片的課後測試。在第四週，團隊對招募學員進行「教師模擬實作測驗」，並採用客觀結構化臨床檢查 (OSCE)，直接評估學員的NIHSS評估能力。所有對象同時進行情境動機量表(The Situational Motivation Scale, SIMS)評估，以評估不同學習模式的學習動機。實驗結果會比較兩組課前測驗、課後測驗、組間表現差距、OSCE和SIMS測驗結果之差距。

2.研究結果

       傳統影片學習組(VT)與VR系統學習組(VR)研究成果比較如圖4所示：兩組之間的課前測驗、課後測驗，顯示兩組訓練模式學員成績皆相當；課前課後兩次測驗間差異，顯示兩組訓練模式前後皆有進步；OSCE表現顯示兩組學員評估標準病人填答正確率相當以及教師評估兩組學員的操作正確率及分數相當。此三組之臨床測驗結果均無差異，顯示新開發之VR-NIHSS教學成效確認不亞於傳統標準訓練模式。

 

圖4、傳統影片學習組(VT)與VR系統學習組(VR)研究成果比較

 

在動機問卷SIMS中(表2及圖5)，VT組相較於VR組別，其intrinsic motivation得分較低(17.84 vs. 21.38，p=0.001)，但external regulation分數較高 (18.84 vs. 16.00，p=0.007)和amotivation分數也較高(12.25 vs. 9.83, p=0.031)。因此，在總評分self-determination index指數中，VT組遠低於VR組(12.47 vs. 27.07，p<0.001)。顯示VR組別可引發較強的學習動機與學習觀感。

 

表2、SIMS動機評估量表

圖5、SIMS動機評估量表各項差異(長條圖)

 

3.臨床驗證結論

       在此一階段的初步驗證中，對學員來說兩種的訓練課程，不論是影片評估或是直接臨床評估皆有進步。兩者的OSCE評估平均答對題目數以及正確操作題目數與得分，VT組與VR組並無差異，顯示新開發之VR-NIHSS教學效果並不亞於現行之標準訓練模式。然而透過VR-NIHSS，學員對於參與教學活動的學習動機大幅提升，因此，該階段的驗證結果推論：VR-NIHSS與傳統標準的影片培訓相比，其教學培訓成果相當，但大幅增強學員的學習動機。若未來持續推行，將可成為有助於學習成效，加強學員學習動機的一項利器。另外，與標準訓練等同的訓練效果，也證明VR-NIHSS系統可成為未來的VR-Stroke program模擬訓練課程中，提供等同於標準病人的基礎架構。

 

六、結論

經分析，本計畫中所導入的VR-NIHSS有以下特點：

• 動畫具體呈現NIHSS評估指標
• 互動式教學模擬真實診斷過程
• 擬真個案實作學習處置與判斷

傳統中風教育訓練模式以課堂及教師說明為主，學員實際進入臨床後才能開始累積實作經驗。然而，傳統培訓方式不但缺乏互動性，學員也較無機會實地練習累積經驗；且經驗豐富的醫師藉由臨床實作所累積的處置決策邏輯鏈，也難以透過傳統培訓讓學員學習。隨著虛擬實境技術的發展的成熟，VR的互動性不但讓學員可詳細觀察中風病人處置的樣態，也可讓教師將常見典型的治療情境進行模型設計供學員進行反覆訓練。中風教育結合VR的應用能讓學員在實際處置病人前，擁有嫻熟的評估技術與相對成熟的處置決策邏輯鏈。

本計畫已將傳統訓練教學與VR-NIHSS教學成效進行驗證，結果顯示：兩組訓練模式學員成績相當、兩組訓練模式前後皆有進步、兩組學員評估標準病人填答正確率相當及教師評估兩組學員的操作正確率及分數相當。此三組之臨床測驗結果均無差異，顯示新開發之VR-NIHSS與傳統教學效果相當、可勝任臨床評估與實操方面的訓練、還能引發較強的學習動機與學習觀感。期許VR-NIHSS系統未來可納入VR-Stroke模擬訓練課程中，提供等同於標準病人的基礎架構，除了可以達到傳統學習的預期效益，更能透過增加使用者的體驗強化學習動機，健全中風急救護系統之醫療從業人員之智能與提高患者急救護效益，如圖6所示。

 

圖6、VR 中風教育訓練系統培訓流程的臨床效益

 

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參考文獻

1. Vos T, Allen C, Arora M, Barber RM, Bhutta ZA, Brown A, Carter A, Casey DC, Charlson FJ, Chen AZ. Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability for 310 diseases and injuries, 1990–2015: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2015. The lancet. 2016;388:1545-1602. doi:
2. Fonarow GC, Zhao X, Smith EE, Saver JL, Reeves MJ, Bhatt DL, Xian Y, Hernandez AF, Peterson ED, Schwamm LH. Door-to-needle times for tissue plasminogen activator administration and clinical outcomes in acute ischemic stroke before and after a quality improvement initiative. Jama. 2014;311:1632-1640. doi:
3. Ormseth CH, Sheth KN, Saver JL, Fonarow GC, Schwamm LH. The American Heart Association's Get With the Guidelines (GWTG)-Stroke development and impact on stroke care. Stroke and vascular neurology. 2017;2:94-105. doi: 10.1136/svn-2017-000092
4. Hsieh FI, Lien LM, Chen ST, Bai CH, Sun MC, Tseng HP, Chen YW, Chen CH, Jeng JS, Tsai SY, et al. Get With the Guidelines-Stroke performance indicators: surveillance of stroke care in the Taiwan Stroke Registry: Get With the Guidelines-Stroke in Taiwan. Circulation. 2010;122:1116-1123. doi: 10.1161/circulationaha.110.936526

 

作者資訊

張育銘 成功大學醫學院附設醫院神經部 主治醫師 cornworldmirror@hotmail.com

黃鈴淯 國立成功大學/醫療器材國際創新碩士班 碩士生 janethuang.biome@bme.ncku.edu.tw

宋碧姍 成功大學醫學院附設醫院神經部 臨床副教授 pishansung@gmail.com

王淳民 成功大學醫學院附設醫院神經部 主治醫師

陳建旭 國立成功大學/規劃設計學院 /工業設計學系 教授/院長 chenhsu@mail.ncku.edu.tw

陳芃婷 國立成功大學/生物醫學工程學系&醫療器材國際創新碩士班 教授 chen@ncku.edu.tw